CN113338939A - 一种环境友好型集群悬浮式海底集矿机器人及集矿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环境友好型集群悬浮式海底集矿机器人，识别单元用于对周围环境进行扫描，提取环境数据信息，并上传给决策单元；决策单元对环境数据信息进行处理，得出并发送指令给移动单元和采集单元；决策单元作为机器人的控制中心；移动单元控制采矿机器人在空间上的位置，其包括蝶形游动翼，蝶形游动翼包括骨架和柔性翼身，骨架设于集矿盒两侧、间隔设置的可上下摆动的摆杆，柔性翼身固定在各摆杆上，各摆杆具有独立的动力驱动，并受控制中心控制；采集单元包括与集矿盒侧壁转动连接的柔性的集矿管，集矿管端部设有集矿头，集矿盒侧壁还伸出多个具有至少一活动关节的机械臂，机械臂端部与一集矿头固定连接，各机械臂具有独立的动力驱动。

Description

一种环境友好型集群悬浮式海底集矿机器人及集矿方法

技术领域

本发明涉及一种海底集矿机器人，尤其涉及一种环境友好型集群悬浮式海底集矿机器人及集矿方法。

背景技术

在人类对金属矿产资源的需求不断增加、陆地金属资源越来越匮乏的迫切情势下，各国将目光投向了海洋。海洋中的矿产资源种类繁多、储量充足。在深海底处，更是蕴藏着丰富的多金属结核和稀土等矿产资源。其中，多金属锰结核是最具有经济价值的海底矿产之一。据估计整个大洋底锰结核的蕴藏量约3万亿吨，如果开采得当，其将成为新能源的重要组成部分，极大地缓解现有的能源危机。因此，如何在不破坏海洋生态的情况下，高采集率低扰动地开采海底矿石，已经成为世界各国争抢的技术高地。

现有技术的不足及原因：

1、现有专利多采用机械法采集矿石，而采用机械式采掘，会直接破坏已板结的超软土，引起严重的海底沉积物扩散，从而破坏海底环境；

2、现有集矿装备行进装置均为履带式坐底行走，压陷深、易打滑，且行进过程对海底沉积物破坏严重。

3、现有专利方案大多数无法实现对矿石的精准识别和定位，从而导致采矿作业效率低下。

4、现有专利方案组成复杂、采矿车体积庞大、水下质量大、灵活性差，不利于小扰动作业。

对比专利文件列表：

1)CN111577289A，一种深海近底长臂摆动式多金属结核采矿系统及方法。

2)CN109975064A，一种海底矿石勘探车及其采集矿石方法。

3)CN106812529B，一种基于旋涡水动力特性的集群式深海海底集矿装备。

发明内容

本发明的目的是提供一种环境友好型集群悬浮式海底集矿机器人及集矿方法，以解决现有深海采矿海底集矿方法环境扰动大、作业效率低、可靠性差等问题。

本发明采取以下技术方案：

一种环境友好型集群悬浮式海底集矿机器人，包括集矿盒4、识别单元、决策单元、移动单元、采集单元；所述识别单元用于对周围环境进行扫描，提取环境数据信息，并上传给决策单元；所述决策单元对所述环境数据信息进行处理，得出并发送指令给移动单元和采集单元；决策单元作为机器人的控制中心；所述移动单元控制采矿机器人在空间上的位置，其包括蝶形游动翼8，所述蝶形游动翼8包括骨架和柔性翼身，所述骨架设于所述集矿盒4两侧、间隔设置的可上下摆动的摆杆，所述柔性翼身固定在各所述摆杆上，各摆杆具有独立的动力驱动，并受所述控制中心控制；所述采集单元是机器人进行采矿作业的执行模块，包括与集矿盒4侧壁转动连接的柔性的集矿管6，所述集矿管6端部设有集矿头7，集矿盒4侧壁还伸出多个具有至少一活动关节的机械臂5，所述机械臂5端部与一所述集矿头7固定连接，各机械臂5具有独立的动力驱动。

优选的，所述识别单元包括设于所述集矿盒4头部的摄像头2。

进一步的，所述集矿盒4呈长条形，其尾部与输矿管3连接。

优选的，机械臂5自由端通过旋转部件与集矿头连接，以调节抽集矿头管口朝向。

一种环境友好型集群悬浮式海底集矿系统，包括多个所述的机器人，海面集矿船与水下的中继仓13相连，每一台中继仓13连接多架机器人，作为矿粒的中继站。

一种集矿方法，采用所述的环境友好型集群悬浮式海底集矿机器人，识别单元具备由微光摄像机和红外热成像仪组成水下探测单元，通过有线方式与决策单元的机载电脑连接，具有视觉探测功能；作业时，利用CNN卷积神经网络提取被摄像区域的矿石分布、矿粒大小情况信息并传输至决策单元，通过路径规划算法得出采矿机器人移动参数、机械臂移动参数，由设定算法得出抽吸力大小，并将其转为指令传输给机器人采集单元和移动单元，机器人根据指令移动，并调控机械手臂和集矿管，调节抽吸力；决策单元根据识别单元获取的信息，利用机器学习算法，自动求解最优采矿路径，并将指令传输给机器人移动单元，将机器人驱动至指定位置进行集矿作业。

优选的，所述设定算法为：当集矿集矿管正对矿粒θ＝0时，垂向受力系数C_vs预测公式：

从而可计算需要提供的抽吸力：

其中D为集矿管直径，d为矿粒直径，h为集矿管自由端距水底的竖直距离，θ为矿粒相对集矿管口偏移角度，v_f为集矿管内液体流速。

一种集矿方法，采用上述的环境友好型集群悬浮式海底集矿系统，机器人收集起来的矿粒，由其尾部的输矿管3运送至中继仓13内暂时储存，当矿粒累积到一定程度时，一并由中继仓13运送到海上；每个所述集矿管6的集矿动力相对独立，且都可同时用流速均匀的水流和脉冲水流集矿，当矿粒较密集时，可选择匀速水流集矿，而当矿粒较稀疏时，则选用脉冲水流集矿。

优选的，包括以下步骤：

信息捕获与决策：由摄像头对机器人周围环境进行拍摄，将图像信息导入机器人内部的机载电脑，机载电脑利用抽吸力的设定算法，求解机器人所需的移动参数，传输到移动单元；求解出机械臂转动参数，集矿管流量参数，将二者传输到集矿单元；

移动：水平方向：移动单元两侧的蝶形游动翼以同一频率工作，机器人沿直线前进或后退；频率不同时，机器人还会发生旋转运动。工作时，同一侧骨架相位互相交错；

竖直方向：所有骨架工作相位相同，使得两翼同时上下扇动，产生竖直方向的力，进而使机器人保持悬浮或产生竖直位移；

采矿：根据计算机得出的机械臂转动参数，调节机械集矿管支撑臂固定件、机械集矿管支撑臂关节活动件的角度改变两个机械臂的相对位置，使得集矿头到达目标抽吸点，通过集矿管转接件的转动调节集矿头的朝向；根据所得的抽吸管流量参数调节集矿管的流量，进而改变抽吸力大小，矿粒经由集矿头、集矿管进入集矿盒；当矿粒较密集时，选择匀速水流集矿，而当矿粒较稀疏时，则选用脉冲水流集矿；

输矿：矿石经由集矿盒向上通过输矿管到达中继仓内暂时储存，当中继仓内的矿粒到达一定量时，自动向上通过大深度水力输矿管道运输至集矿船中，以完成整个收集过程。

本发明的有益效果在于：

优越性一：【采集过程更环保】水力抽吸不破坏海底板结层，同时基于仿生学的悬浮游动，又能最大限度地减小对海底超软土的间接扰动，从而最大程度减少海底沉积物的扩散，有利于保护海底生态环境。

优越性二：【采集效率更高】

1.结合基于半理论半经验公式、数值仿真计算和Bp神经网络数据融合式预报方法，实现对海床表面矿粒的精准抽吸，让集矿管内的流量刚好能在特定工况参数下将矿粒吸起。过多的流量会使得能耗大、对海底扰动大，流量小又不足以采集矿粒。

2.多抽吸头集群式作业使得集矿管之间、集矿机器人之间相互查缺补漏，减小重复采矿的可能，避免往复作业，从而提高效率。

3.机器人多个采集通道相对独立，且每个集矿管可同时用流速均匀的水流和脉冲水流集矿，最新研究发现脉冲式抽吸流集矿效果很好，即使很小的流量能达到更高的采集率。

优越性三：【集矿机器人的移动方式更灵活】悬浮机制配合仿生蝶形游动翼，使得集矿机器人在变载荷下可稳定地行进，集矿机器人与海床表面几乎不接触，解决了履带式行进装置在海底无法穿越过大沟壑的问题。

附图说明

图1是本发明中所采用的软件系统的结构图。

图2是集矿机器人工作原理图。

图3是采矿机器人整体轴测图。

图4是采矿机器人的主视图。

图5是采矿机器人的俯视图。

图6是采矿机器人的右视图。

图7是采集单元的轴测图。

图8是移动、识别单元轴测图。

图9是集群式悬浮集矿装置整体工作示意图。

图中1-悬浮游动机器人、2-摄像头、3-输矿管、4-集矿盒、5-机械臂、6-集矿管、7-集矿头、8-蝶形游动翼、9-机械集矿管支撑臂固定件、10-机械集矿管支撑臂关节活动件、11-集矿管转接件、12-大深度水力输矿管道、13-中继仓、14-集矿船。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

1)结构：

1、深海采矿机器人集群式设计

一个集矿系统包含多台海底采矿机器人，多台采矿机器人同步自主工作，采矿机器人体积小、机动性强，互相之间不会产生影响，更加节省时间，提高了采集的效率。

2、采矿机器人由识别单元、决策单元、移动单元、采集单元组合而成。

识别单元对机器人周围环境进行扫描，提取环境数据信息，将其上传至决策单元；决策单元通过算法与公式对数据进行处理，得出并发送相应的指令参数，从而控制采矿机器人的行动；采集单元是机器人进行采矿作业的执行模块，对矿粒进行直接采集；移动单元控制采矿机器人在空间上的位置，四者相互配合，组成采矿机器人机体。

移动：

1、基于仿生学的蝶形游动翼的结构设计

游动翼由翼身和骨架构成，骨架的工作状态决定游动翼的扇动情况。

当同一侧的各条骨架以同一频率不同相位工作时，将产生向前或向后的推力；相同相位时，翼身整体扇动，左右两翼共同作用会产生竖直方向的力；当两翼工作频率不同时，机器人还会发生旋转运动。

以上工作状态将使机器人得以在水平方向和竖直方向自由运动，同时两翼的持续扇动使得机体始终处于悬浮状态，而不与海底直接接触。

采矿：

1、机械手臂结合集矿管形成采集通道

采集机器人机体同时连接机械手臂和集矿管，每一个采集通道由两支机械臂和一条集矿管及连接件组合而成，两者在自由端相连接，组成集矿头。

集矿时，机械臂通过固定端的连接件和关节活动件进行旋转，带动集矿管自由端到达指定抽吸点，集矿时由云台技术监控，通过微调机械臂的转动，补偿集矿机器人整体的偏移对集矿头产生的干扰；此外，机械臂自由端可旋转，以调节抽集矿管口朝向。

每个采集通道相对独立，且都可同时用流速均匀的水流和脉冲水流集矿。当矿粒较密集时，可选择较大的匀速水流集矿，而当矿粒较稀疏时，则选用脉冲水流集矿。

识别与决策：

1、基于抽吸力公式和深海集矿用锰结核图像检测软件。

采矿机器人识别单元具备由微光摄像机和红外热成像仪组成水下探测单元，通过有线方式与决策单元的机载电脑连接，具有视觉探测功能。作业时，利用CNN卷积神经网络提取被摄像区域的矿石分布、矿粒大小情况等信息并传输至决策单元，通过路径规划算法得出采矿机器人移动参数、机械臂移动参数，由经验公式得出抽吸力大小，并将其转为指令传输给机器人采集单元和移动单元，机器人根据指令移动，并调控机械手臂和集矿管，调节抽吸力，从而精准抽吸每一颗矿粒。

2、基于A*算法，对采矿勘探装置路径进行优化。

决策单元还可根据识别单元获取的信息，利用A*等机器学习算法，自动求解最优采矿路径，并将指令传输给机器人移动单元，将机器人驱动至指定位置进行集矿作业。

收集：

1、机器人与海面集矿船间安装集矿中继仓

海面集矿船与水下中继仓相连，每一台中继器连接多架集矿机器人，作为矿粒的中继站。采矿机器人收集起来的矿粒，由其尾部的输矿管运送至中继仓内暂时储存，当矿粒累积到一定程度时，一并由中继仓运送到海上。

2)研究方法：

1、集矿管抽吸力计算公式

基于以下假设：①锰结核矿粒形状为光滑圆球；②矿粒布置于光滑水平面上；③静水环境。进行深海水力集矿球形颗粒受力特性试验研究，在实验水池中模拟海底集矿作业，利用机器人手臂改变集矿管位置姿态以模拟不同工况。

试验及结果所需参数如下表：

表1参数定义

由拟合数据结果得出，当集矿集矿管正对矿粒(θ＝0)时，垂向受力系数C_vs预测公式：

从而可计算需要提供的抽吸力：

2、识别单元工作流程

如图1所示，深海集矿用锰结核图像检测软件，该软件安装于机器人的机载电脑上，机载电脑通过USB接线口获得机器人周围环境的水下摄像图像，并使用机器视觉与机器学习相关算法识别海底的锰结核，以确定机器人的移动方向。

创新点：

创新点一：采用机械手臂控制集矿管精准抽吸：为了克服现有设备采集过程对海底超软土的扰动，本发明将集矿管和机械臂结合。矿粒由集矿管抽吸收集，集矿管被固定在机械手臂上，并通过机械手臂调节集矿管位置和管口朝向，以达到精准抽吸的效果。

创新点二：基于仿生学的作业姿态调节：为了克服现有机器人移动不便，行动不灵活的缺点，同时克服设备移动方式对海底超软土的扰动，本发明使用仿生蝶形游动翼将采矿机器人抬升，使其处于悬浮状态，同时控制机器人的移动。

创新点三：基于机器学习算法的路径及抽吸力精准预报：为了优化采矿过程，使采矿过程更加准确和智能化，使用深海集矿用锰结核图像检测软件，实现深海中锰结核矿物的图像检测，使得采矿机器人在海底能够自动寻找到锰结核，并自主进行开采。

本环境友好型集群悬浮式海底集矿系统工作流程如下：

信息捕获与决策：

由摄像头2对机器人周围环境进行拍摄，将图像信息导入机器人内部的机载电脑。电脑利用安装在其上的深海集矿用锰结核图像检测软件，和实验得出的抽吸力计算公式，求解机器人所需的移动参数，传输到移动单元；求解出机械臂转动参数，集矿管流量参数，将二者传输到集矿单元。

移动：

水平方向：移动单元两侧的蝶形游动翼8以同一频率工作，机器人沿直线前进或后退；频率不同时，机器人还会发生旋转运动。工作时，同一侧骨架相位互相交错。

竖直方向：所有骨架工作相位相同，使得两翼同时上下扇动，产生竖直方向的力，进而使机器人保持悬浮或产生竖直位移。

采矿：

根据计算机得出的机械臂转动参数，调节机械集矿管支撑臂固定件9、机械集矿管支撑臂关节活动件10的角度改变两个机械臂5的相对位置，使得集矿头7到达目标抽吸点，通过集矿管11转接件的转动调节集矿头7的朝向；根据所得的抽吸管流量参数调节集矿管的流量，进而改变抽吸力大小，矿粒经由集矿头7、集矿管6进入集矿盒4。

当矿粒较密集时，可选择较大的匀速水流集矿，而当矿粒较稀疏时，则选用脉冲水流集矿。

输矿：

矿石经由集矿盒4向上通过输矿管3到达中继仓12内暂时储存，当中继仓12内的矿粒到达一定量时，自动向上通过大深度水力输矿管道13运输至集矿船14中，以完成整个收集过程。

以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种环境友好型集群悬浮式海底集矿机器人，其特征在于：

包括集矿盒(4)、识别单元、决策单元、移动单元、采集单元；

所述识别单元用于对周围环境进行扫描，提取环境数据信息，并上传给决策单元；

所述决策单元对所述环境数据信息进行处理，得出并发送指令给移动单元和采集单元；决策单元作为机器人的控制中心；

所述移动单元控制采矿机器人在空间上的位置，其包括蝶形游动翼(8)，所述蝶形游动翼(8)包括骨架和柔性翼身，所述骨架设于所述集矿盒(4)两侧、间隔设置的可上下摆动的摆杆，所述柔性翼身固定在各所述摆杆上，各摆杆具有独立的动力驱动，并受所述控制中心控制；

所述采集单元是机器人进行采矿作业的执行模块，包括与集矿盒(4)侧壁转动连接的柔性的集矿管(6)，所述集矿管(6)端部设有集矿头(7)，集矿盒(4)侧壁还伸出多个具有至少一活动关节的机械臂(5)，所述机械臂(5)端部与一所述集矿头(7)固定连接，各机械臂(5)具有独立的动力驱动。

2.如权利要求1所述的环境友好型集群悬浮式海底集矿机器人，其特征在于：所述识别单元包括设于所述集矿盒(4)头部的摄像头(2)。

3.如权利要求2所述的环境友好型集群悬浮式海底集矿机器人，其特征在于：所述集矿盒(4)呈长条形，其尾部与输矿管(3)连接。

4.如权利要求1所述的环境友好型集群悬浮式海底集矿机器人，其特征在于：机械臂(5)自由端通过旋转部件与集矿头连接，以调节抽集矿头管口朝向。

5.一种环境友好型集群悬浮式海底集矿系统，其特征在于：包括多个权利要求1-4中任意一项所述的机器人，海面集矿船与水下的中继仓(13)相连，每一台中继仓(13)连接多架机器人，作为矿粒的中继站。

6.一种集矿方法，其特征在于：采用权利要求1-4中任意一项所述的环境友好型集群悬浮式海底集矿机器人，其特征在于：

识别单元具备由微光摄像机和红外热成像仪组成水下探测单元，通过有线方式与决策单元的机载电脑连接，具有视觉探测功能；作业时，利用CNN卷积神经网络提取被摄像区域的矿石分布、矿粒大小情况信息并传输至决策单元，通过路径规划算法得出采矿机器人移动参数、机械臂移动参数，由设定算法得出抽吸力大小，并将其转为指令传输给机器人采集单元和移动单元，机器人根据指令移动，并调控机械手臂和集矿管，调节抽吸力；

决策单元根据识别单元获取的信息，利用机器学习算法，自动求解最优采矿路径，并将指令传输给机器人移动单元，将机器人驱动至指定位置进行集矿作业。

7.如权利要求6所述的集矿方法，其特征在于：所述设定算法为：

当集矿管正对矿粒(θ＝0)时，垂向受力系数C_vs预测公式：

从而可计算需要提供的抽吸力：

其中D为集矿管直径，d为矿粒直径，h为集矿管自由端距水底的竖直距离，θ为矿粒相对集矿管口偏移角度，v_f为集矿管内流体流速。

8.一种集矿方法，其特征在于：采用权利要求5所述的环境友好型集群悬浮式海底集矿系统，其特征在于：机器人收集起来的矿粒，由其尾部的输矿管(3)运送至中继仓(13)内暂时储存，当矿粒累积到一定程度时，一并由中继仓(13)运送到海上；每个所述集矿管(6)的集矿动力相对独立，且都可同时用流速均匀的水流和脉冲水流集矿，当矿粒较密集时，可选择匀速水流集矿，而当矿粒较稀疏时，则选用脉冲水流集矿。

9.如权利要求8所述的集矿方法，其特征在于：

包括以下步骤：

信息捕获与决策：由摄像头对机器人周围环境进行拍摄，将图像信息导入机器人内部的机载电脑，机器人移动参数、机械臂转动参数由A*算法得出等机器学习算法；抽吸力(集矿管流量)由抽吸力公式得出。机器人移动参数传输至移动单元；机械臂转动参数、集矿管流量参数传输至集矿单元。

移动：水平方向：工作时，同一侧骨架相位互相交错，产生水平方向的力。移动单元两侧的蝶形游动翼以同一频率工作，机器人沿直线前进或后退；频率不同时，机器人还会发生旋转运动。

竖直方向：所有骨架工作相位相同，使得两翼同时上下扇动，产生竖直方向的力，进而使机器人保持悬浮或产生竖直位移；

采矿：根据计算机得出的机械臂转动参数，调节机械集矿管支撑臂固定件、机械集矿管支撑臂关节活动件的角度改变两个机械臂的相对位置，使得集矿头到达目标抽吸点，通过集矿管转接件的转动调节集矿头的朝向；根据所得的抽吸管流量参数调节集矿管的流量，进而改变抽吸力大小，矿粒经由集矿头、集矿管进入集矿盒；当矿粒较密集时，选择匀速水流集矿，而当矿粒较稀疏时，则选用脉冲水流集矿；

输矿：矿石经由集矿盒向上通过输矿管到达中继仓内暂时储存，当中继仓内的矿粒到达一定量时，自动向上通过大深度水力输矿管道运输至集矿船中，以完成整个收集过程。

Images